Um composto de carbono comum permite melhorias notáveis de desempenho quando misturado na proporção certa com cobre para fazer fios elétricos. É um fenômeno que desafia a sabedoria convencional sobre como os metais conduzem eletricidade.
As descobertas, publicadas na revista Materials & Design, podem levar a uma distribuição de eletricidade mais eficiente para residências e empresas, bem como a motores mais eficientes para alimentar veículos elétricos e equipamentos industriais. A equipe solicitou uma patente para o trabalho, que foi apoiada pelo Escritório de Materiais Avançados e Tecnologias de Fabricação do Departamento de Energia (DOE).
A cientista de materiais Keerti Kappagantula e seus colegas do Laboratório Nacional Pacific Northwest do DOE descobriram que o grafeno, camadas únicas do mesmo grafite encontradas em lápis, pode melhorar uma propriedade importante dos metais chamada coeficiente de resistência de temperatura.
Esta propriedade explica por que os fios de metal ficam quentes quando uma corrente elétrica passa por eles. Os pesquisadores querem reduzir essa resistência e, ao mesmo tempo, aumentar a capacidade do metal de conduzir eletricidade. Há vários anos que se perguntam se a condutividade do metal pode ser aumentada, especialmente a altas temperaturas, adicionando-lhe outros materiais. E se esses compósitos podem ser viáveis em escala comercial.
Agora, eles demonstraram que podem fazer exatamente isso, usando uma plataforma de fabricação avançada patenteada pelo PNNL chamada ShAPE.
Quando a equipe de pesquisa adicionou 18 partes por milhão de grafeno ao cobre de grau elétrico, o coeficiente de resistência da temperatura diminuiu 11% sem diminuir a condutividade elétrica à temperatura ambiente. Isto é relevante para a fabricação de motores de veículos elétricos, onde um aumento de 11% na condutividade elétrica do enrolamento do fio de cobre se traduz em um ganho de 1% na eficiência do motor.
“Esta descoberta vai contra o que é geralmente conhecido sobre o comportamento dos metais como condutores”, disse Kappagantula. “Normalmente, a introdução de aditivos em um metal aumenta seu coeficiente de resistência à temperatura, o que significa que eles aquecem mais rapidamente nos mesmos níveis de corrente em comparação com metais puros. Estamos descrevendo uma propriedade nova e excitante deste compósito metálico onde observamos condutividade aprimorada em um fio de cobre.”
A microestrutura é a chave para o aprimoramento do grafeno
Anteriormente, a equipe de pesquisa realizou estudos estruturais detalhados e computacionais baseados na física para explicar o fenômeno de aumento da condutividade elétrica de metais usando grafeno.
Neste estudo, eles mostraram que o processamento em fase sólida usado para extrusar o fio compósito leva a uma microestrutura uniforme, quase sem poros, pontuada por pequenos flocos e aglomerados de grafeno que podem ser responsáveis pela diminuição do coeficiente de resistência do compósito.
“Mostramos que flocos e aglomerados devem estar presentes para formar melhores condutores para operações em altas temperaturas”, disse Kappagantula.
Os coautores Bharat Gwalani, Xiao Li e Aditya Nittala aproveitaram uma plataforma de teste projetada pelo PNNL que mede propriedades elétricas com alta precisão e exatidão para validar a condutividade aprimorada, conforme refletido na análise experimental detalhada da equipe. Li e Md. Reza-E-Rabby desenvolveram as ferramentas e os envelopes de processo para o processo de extrusão por fricção em fase sólida que levou à patente.
Rumo a motores e fiação de cobre mais eficientes para edifícios urbanos
Quando aplicados a qualquer aplicação industrial, os novos fios compostos de cobre-grafeno proporcionarão grande flexibilidade de design, de acordo com a equipe de pesquisa.
“Em qualquer lugar onde haja eletricidade, temos um caso de uso”, disse Kappagantula.
Por exemplo, formas de fio de cobre enrolado são usadas no núcleo de motores elétricos e geradores. Os motores atuais são projetados para operar dentro de uma faixa limitada de temperatura porque, quando ficam muito quentes, a condutividade elétrica cai drasticamente. Com o novo composto de cobre-grafeno, os motores poderiam potencialmente operar em temperaturas mais altas sem perder condutividade.
Da mesma forma, a fiação que leva eletricidade das linhas de transmissão para residências e empresas é normalmente feita de cobre. À medida que a densidade populacional das cidades aumenta, a procura de energia segue o exemplo. Um fio composto mais condutivo poderia ajudar a atender a essa demanda com economia de eficiência.
“Esta tecnologia é uma bela solução para fiação de cobre em ambientes urbanos de alta densidade”, acrescentou Kappagantula.
A equipe de pesquisa continua seu trabalho para customizar o material cobre-grafeno e medir outras propriedades essenciais, como resistência, fadiga, corrosão e resistência ao desgaste, cruciais para qualificar esses materiais para aplicações industriais. Para esses experimentos, a equipe de pesquisa fabrica fios com a espessura de uma moeda de um centavo dos EUA (1,5 milímetros).
Mais informações: Bharat Gwalani et al, Unprecedented electrical performance of friction-extruded copper-graphene composites, Materials & Design (2023). DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112555
